数字信号处理器原理及应用1

1、数字信号处理器原理及应用课程名称：课程简介课程简介: 数字信号处理器原理及应用是电子信息工程专业的限选专业课程。数字信号处理器（Digital Signal Processor，简写：DSP）是专门用于实时实现数字信号处理算法的微处理器，广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、测量与控制、高清晰度电视、数字音响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工程以及机器人等各个领域。与传统的微处理器相比，数字信号处理器（DSP）在结构和原理上有重大差别。本课程主要介绍有关DSP的基本结构与原理，如：哈佛结构、多总线结构、流水线结构、多处理单元、特殊DSP指令、数据寻址方式、程序地

2、址生成方式、双寻址RAM、定时器、时钟发生器、主机接口（HPI）、同步串口（SP）、外部总线接口、指令系统、自举加载器等。同时，介绍DSP的开发工具、软件和硬件设计、典型算法的设计与实现。DSP技术概述：DSP技术是现代科学技术的重要基础技术，也是现代电工电子理论和技术的重要组成部分、研究对象及工具。1，信号处理功能的数字实现。2，复杂的数学处理。3，智能化系统的实现。4，灵活多样处理方法的实现。数字信号处理的应用范围已经远远超过了工程设备的范围。因此，DSP技术不仅是现代电子系统的基本技术，也是现代科学研究和工程实际中的基本工具和处理方法。一、信号处理是非功率系统的基本特征1，信号处理的基本

3、概念。 可对物理系统建立数学模型。这个物理系统的数学描述，就是物理系统对信号的处理方式描述和要求。 信号处理的工程定义： 对信号按一定规则进行变换，形成新的信号。 信号处理的数学定义： 对信号按一定规则进行数学变换。 2，电子系统就是一个信号处理系统。3，信号处理就是一种数学运算。DSP技术概述二、信号处理的基本内容信号处理的基本内容包括： 1，传统意义的信号滤波。 2，波形变换。 3，信号转换。 4，信号合成。 5，信号分离。 6，特征识别。 7，信号提取。 8，信息提取。严格地说，信号处理并不等于信息处理。信息是驮载在信号之上的，从信息处理的角度看，首先应处理信号，然后才是处理信息。因此，

4、信号处理属于信息处理的一部分。DSP技术概述DSP技术概述三、工程信号处理 工程信号处理是指工程实际中所需要的工程信号处理技术，其中不包括信息处理技术。工程信号处理的基本内容包括上述8项基本内容。 工程信号处理的基本特点是信号对象比较明确，处理要求与应用领域有关。四、ASP和DSP技术比较1，ASP和DSP处理技术的区别。 实时性。ASP技术属于并行处理技术，因此，具有天然的实时性好的特点。DSP属于串行处理技术，因此具有实时性差的特点。 频率特性。在处理同样的信号时，ASP需要的频带宽度一般远小于DSP系统。 灵活性。ASP是固定参数系统，系统的灵活性远不及DSP系统。 智能性。目前的ASP

5、技术无法实现智能性。 实施性。ASP的实施技术比DSP要复杂的多，所以，DSP系统更易于工程实现。 集成性。集成性包括系统集成和电路集成两方面。ASP难以实现系统集成，而从工程技术的角度看，ASP的电路集成成本和应用性也远不及DSP系统。DSP技术概述2，工程应用特点比较。ASP和DSP技术在工程技术中都有应用。在一般情况下，不可能单独使用ASP或DSP。 ASP和DSP技术比较：信号输入。ASP技术在各种工程信号的输入技术上，有着不可取代的位置。DSP技术往往都需要有ASP作为前置和后置技术。性能价格比。一般地说，DSP技术比ASP技术具有更高的性能价格比。复杂程度。ASP技术的复杂程度远高

6、于DSP技术。知识性。DSP技术需要有新的知识和技术，而由于电子技术等工程技术的限制，ASP技术往往不需要有新知识。原因是ASP技术的应用范围有限。软件性。ASP技术几乎不需要有软件参与，而DSP技术则无法离开软件。集成性。集成性包括系统集成和电路集成两方面。ASP难以实现系统集成，而从工程技术的角度看，ASP的电路集成成本和应用性也远不及DSP系统。DSP技术概述五、DSP基本技术概念1，数字信号处理的基本方法。 经典处理方法。包括变换和状态方程的实现、经典数字滤波、确定性的特征识别、经典的非线性系统等。 现代处理方法。包括变参数系统的实现、时-频域处理技术、信号和信息提取技术等。 数学技术

7、。包括系统基本数学模型的建立和计算方法。传统信号处理技术是建立在数学模型基础之上的技术，但算法比较简单。2，实现技术。 非实时处理的实现 实时处理的实现DSP技术概述4，算法概念。 算法代表了DSP系统的基本结构 算法具有健壮性稳定性、收敛性、收敛速度、突变性。 算法具有目标针对性5，仿真技术基本概念。 参数仿真研究系统参数的变化条件。 电路仿真器件特性和应用参数研究。 系统仿真系统行为特性研究。DSP技术概述3，基本硬件技术。 DSP器件系统 单片机系统 PLD器件系统 单板机系统 PC机系统 嵌入式系统DSP技术概述实践环节与内容或辅助学习活动：实践环节与内容或辅助学习活动： 对DSP的典

8、型算法进行编程并调试。主要内容：波形产生、波形调制、频率变换、滤波器设计、频谱分析等。 以上内容可选择其中一个，在课后完成。成绩考评方式：成绩考评方式： 总成绩=平时作业+课外实践+考勤+期末考试平时作业：完成规定的作业。课外实践：完成规定的设计报告。考勤：缺勤三次以上，无此项成绩。期末考试：教材和参考书：教材：戴明帧、周建江编TMS320C54X DSP结构、原理及应用北京航空航天大学，2001年参考书：Andrew Bateman、Iain Paterson-Stephens著DSP算法、应用与设计机械工业出版社2003年学习的目标与内容：学习的目标与内容： 一、目标1. 学会数字信号处理

9、理论与技术概念的应用：要求在经过简单系统和软件的学习后，能用基本概念分析DSP系统特征。 2. 学会数字信号处理系统分析与设计技术应用：要求在硬件技术上掌握系统基本设计与调试、DSP器件操作与调试。要求在软件技术上掌握，仿真程序的使用、应用软件编程。 3. 结合专业学习基本应用方法：要求独立设计并实现一个应用系统二、内容1，TMS320C54XX数字信号处理器 结构原理、软硬件设计与调试2，ADSP-218X数字信号处理器 结构原理TMS320C54X系列数字信号处理器结构、原理及应用第一章综述第一章综述主要内容主要内容 1. 什么是DSP? 2. 为什么要数字化？ 3. DSP系统的特点 4

10、. 哪些是典型的DSP运算法则？ 5. 什么是实时系统？ 6. 为什么要用DSP处理器？ 7. DSP芯片的特点 8. DSP芯片的分类 9. DSP芯片的发展 10. DSP的应用领域 11. DSP的选择 12. DSP系统的设计过程什么是DSP? Digital Signal Processing DSP (数字信号处理) 是对信号进行数字处理，包括对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩和识别等等。 Digital Signal Processor DSP (数字信号处理器)即DSP芯片，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法

11、。 数字信号处理系统简化框图 输入 抗混叠 滤波A/DDSP芯片D/A 平滑 滤波输出下图是数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号变换为数字信号，经过DSP芯片做数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。为什么要数字化？数字信号处理技术非常的强大，而有时数字信号处理技术非常的强大，而有时候用模拟信号处理技术要达到相似的性候用模拟信号处理技术要达到相似的性能是很困难的（在模拟信号处理技术也能是很困难的（在模拟信号处理技术也能够处理的情况下）。能够处理的情况下）。v 例子：例子： 线性相位的有限长单位冲激响应滤波器线性相位的有限长单位冲激响应滤波器 自适应滤波器自适应滤波器为什么要数字化？模拟

12、信号处理过程是利用模拟元件来完模拟信号处理过程是利用模拟元件来完 成的，例如：成的，例如：电阻器电阻器电容器电容器电感器电感器v 由元件、温度、电压变化、机械振动等由元件、温度、电压变化、机械振动等引起的内部容限的变化会显著地影响模引起的内部容限的变化会显著地影响模拟电路的效果。拟电路的效果。为什么要数字化?用用DSPDSP便于：便于：改变应用程序改变应用程序更正应用程序更正应用程序更新应用程序更新应用程序另外另外DSPDSP可减少：可减少：噪音敏感度噪音敏感度芯片造价芯片造价程序调试时间程序调试时间功率损耗功率损耗为什么不数字化？高频率信号因为以下两个原因不能进行高频率信号因为以下两个原因不

13、能进行 数字化处理：数字化处理：模数转换器（模数转换器（ADCADC）不能在高频下工作）不能在高频下工作应用程序会因为太复杂而不能实时工作应用程序会因为太复杂而不能实时工作DSP系统的特点 DSP系统是以数字信号处理为基础的，因系统是以数字信号处理为基础的，因此具有数字系统的全部优点：此具有数字系统的全部优点： 接口方便。接口方便。DSP系统与其他以现代数字技术系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，因此，为基础的系统或设备都是相互兼容的，因此，它与其他数字系统接口以实现某种功能是很它与其他数字系统接口以实现某种功能是很方便的；方便的； 编程方便。编程方便。DSP系统中的可编

14、程系统中的可编程DSP芯片可芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级；进行修改和升级；DSP系统的特点（续） 稳定性好。稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； 精度高。精度高。16位数字系统可达位数字系统可达105的精度；的精度； 可重复性好。可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数模拟系统的性能受元器件参数变化的影响而变化比较大，而数字系统基本变化的影响而变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和不受影响，因此数字系

15、统便于测试、调试和大规模生产；大规模生产； 集成方便。集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。规范性，便于大规模集成。哪些是典型的DSP运算法则？在大部分的DSP运算法则中，积之和（SOP）是个关键要素DSPDSP处理器必须实时地处理任务，那么处理器必须实时地处理任务，那么我们如何定义我们如何定义“实时实时”呢？呢？ 实时的定义取决于应用程序。实时的定义取决于应用程序。例如：如果例如：如果DSPDSP芯片可在两次抽样间执芯片可在两次抽样间执行且完成如下操作，则一个行且完成如下操作，则一个100100点的点的FIRFIR滤波器就是实时的：滤波器就是

16、实时的：实时处理 990kknxkany)99()99() 1() 1 ()()0()(nxanxanxany 如果等待时间大于等于零（Waiting Time=0)，我们可以说我们的应用是实时的。实时处理为什么不用一个通用处理器（为什么不用一个通用处理器（General General Purpose Processor Purpose Processor ，GPPGPP）例如奔）例如奔腾处理器，来代替一个腾处理器，来代替一个DSPDSP处理器？处理器？ 一个奔腾和一个DSP处理器的功耗各是多少？ 一个奔腾和一个DSP处理器的造价各是多少？ 奔腾是如何计算SOP的？为什么要用DSP处理器？当

17、考虑以下方面时，需要使用当考虑以下方面时，需要使用DSPDSP处理器：处理器： 节省费用 尺寸更小 低功耗 需实时地处理许多“高”频率的信号当考虑以下方面时，需要使用当考虑以下方面时，需要使用GPPGPP处理器：处理器： 大的存储器 高级操作系统为什么要用DSP处理器？ DSP芯片的特点 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 哈佛结构（程序和数据空间分开），可以同时访哈佛结构（程序和数据空间分开），可以同时访问指令和数据；问指令和数据； 片内具有快速片内具有快速RAM，可通过独立的数据总线在，可通过独立的数据总线在两块中同时访问；两块中同时访问；

18、采用硬件支持低开销或无开销的循环及跳转；采用硬件支持低开销或无开销的循环及跳转； 快速的中断处理和硬件快速的中断处理和硬件IO； 具有在单个周期内操作的多个硬件地址产生器；具有在单个周期内操作的多个硬件地址产生器； 可并行执行多个操作；可并行执行多个操作； 流水线结构，使取指、译码和执行等操作可以重流水线结构，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行；叠执行；硬件 vs. 微码 乘法DSP处理器对于处理乘法和加法操作是最优化的：乘法和加法在硬件里是在一周期内完成的例子: 无符号的 4位数乘法DSP芯片的分类 定点定点DSP芯片：芯片：精度、动态范围中等、功耗低、造价低； 浮点浮点DSP芯片：芯片：

19、高精度、宽动态范围、较高的功耗、较高的造价； 专用型专用型DSP芯片：用芯片：用ASIC技术设计的技术设计的DSPDSP芯片的发展 世界上第一个单片 DSP 芯片是1978年 AMI公司发布的 S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920则是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的P D7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片。 在这之后，最成功的DSP 芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI 公司在1982年成功推出其第一代 D

20、SP 芯片之后，相继推出了第二代、第三代、第四代、第五代 、第二代改进型以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。如今，TI公司的一系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近 50。DSP芯片的发展（续） 自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。 从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns降低到10ns以下，处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件占硅片的面积以大大下降，片内RAM数量增加

21、一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4m 的 N沟道MOS（NMOS）工艺，而现在则普遍采用亚微米（Micron）CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。此外，DSP芯片的发展使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 TI的DSP芯片 TI的三大主力DSP产品 C2000系列：C20 x、F20 x、C24x、F24xx（控制器） C5000系列：C54x、C54xx、C55x（低功耗） C6000系列：C62x、C67x、C64x（高性能） TI

22、其他的DSP产品 C3x系列（浮点）：C30、C31、C32、VC33 C2x和C5x系列：C20、C25、C50等 C4x、C8x系列DSP的选择lDSP芯片的运算速度：芯片的运算速度：指令周期：执行一条指令所需要的时间。指令周期：执行一条指令所需要的时间。MAC时间：执行一次乘法和一次加法的时间。时间：执行一次乘法和一次加法的时间。FFT执行时间：运行一个执行时间：运行一个N点点FFT程序的时间。程序的时间。MIPS:每秒执行百万条指令。每秒执行百万条指令。MOPS：每秒执行百万次操作。：每秒执行百万次操作。MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。：每秒执行百万次浮点操作。BOPS：每秒执行

23、十亿次操作。：每秒执行十亿次操作。DSP的选择lDSP芯片的价格：芯片的价格：lDSP芯片的硬件资源：芯片的硬件资源：RAM、ROM、IO、串口、串口、DMA等。等。lDSP芯片的运算精度：定点（芯片的运算精度：定点（16、24位），浮点位），浮点（32位）位）lDSP芯片的开发工具：强大芯片的开发工具：强大lDSP芯片的功耗：芯片的功耗：l其它：芯片的封装、等级等。其它：芯片的封装、等级等。DSP系统的运算量 按样点处理：DSP算法对每个样点循环一次。 按帧处理：DSP算法每隔一定的时间间隔循环一次。DSP的应用领域l （1） 信号处理信号处理，如：数字滤波、自适应滤波、快速，如：数字滤波、

24、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。l （2） 通信通信，如：调制解调器、自适应均衡、数据加，如：调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。通信、纠错编码、波形产生等。l （3） 语音语音，如：语音编码、语音合成、语音识别、，如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨识、语音邮件、语音储存等。语音增强、说话人辨识、语音邮件、语音储存等。l （4） 图像图像/图形图形，如：二维和三维图形处理、图像，如：二维和三维图形处理、图

25、像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。DSP的应用领域（续）l （5） 军事军事，如：保密通信、雷达处理、声纳处，如：保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。理、导航等。l （6） 仪器仪表仪器仪表，如：频谱分析、函数发生、锁，如：频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。相环、地震处理等。l （7） 自动控制自动控制，如：引擎控制、声控、自动驾，如：引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。驶、机器人控制、磁盘控制。l （8） 医疗医疗，如：助听、超声设备、诊断工具、，如：助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。病人监护等。l （9） 家用电器

26、家用电器，如：高保真音响、音乐合成、，如：高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等电视等 。DSP系统的设计过程 软件编程硬件设计软件调试硬件调试选择 DSP 芯片定义系统性能指标 系统集成系统测试和调试DSP 应用主要内容着重介绍：着重介绍：数字信号处理器的结构和原理数字信号处理器的结构和原理（以（以TMS320C54x为例）为例）DSP的开发工具和技术的开发工具和技术DSP的软件编程的软件编程DSP的应用的应用第二章定点DSP中的基本算术运算本章简介介绍定点DSP的数字运算基础定点DSP中的数字表示Q表示法和S表示法DSP的定点算术运算DS

27、P中的数字运算进行定点数值运算时，操作数一般采用整型数进行定点数值运算时，操作数一般采用整型数来表示。一个整型数的最大取值范围取决于来表示。一个整型数的最大取值范围取决于DSP的的字长。显然字长越长，所能表示的数据范围越大，字长。显然字长越长，所能表示的数据范围越大，精度越高。下面以精度越高。下面以16位定点运算为例进行讨论。位定点运算为例进行讨论。DSP芯片和所有微处理器一样，以芯片和所有微处理器一样，以2的补码形的补码形式表示带符号数。最高为符号位，式表示带符号数。最高为符号位，0表示数值为正，表示数值为正，1表示负数，其余位为数据位。表示负数，其余位为数据位。例如，例如，带符号数带符号数

28、 1111,1111,1111,1001BFFF9H7 0110,1110,1111,0000B6EF0H28400数的定标 对于定点对于定点DSP处理器而言，参与数值运算的处理器而言，参与数值运算的数都看作数都看作16位的整型数。但在许多情况下，要处理位的整型数。但在许多情况下，要处理的数据不一定为整数。的数据不一定为整数。DSP是如何处理小数呢？应是如何处理小数呢？应该说定点该说定点DSP芯片本身是无能为力的。那么是不是芯片本身是无能为力的。那么是不是DSP芯片就不能处理各种小数呢？当然不是。这种芯片就不能处理各种小数呢？当然不是。这种情况下要由程序员来确定一个数的小数点位置处于情况下要由

29、程序员来确定一个数的小数点位置处于16位的哪一位。这就是数的定标。位的哪一位。这就是数的定标。Q表示法和S表示法及其十进制数值范围Q表示法S表示法十进制数值范围Q15S0.15-1 x 0.9999695Q14S1.14-2 x 1.9999390Q13S2.13-4 x 3.9998779Q12S3.12-8 x 7.9997559Q11S4.11-16 x 15.9995117Q10S5.10-32 x 31.9990234Q9S6.9-64 x 63.9980469Q8S7.8-128 x 127.9960938Q7S8.7-256 x 255.9921875Q6S9.6-512 x 5

30、11.9804375Q5S10.5-1024 x 1023.96875Q4S11.4-2048 x 2047.9375Q3S12.3-4096 x 4095.875Q2S13.2-8192 x 8191.75Q1S14.1-16384 x 16383.5Q0S15.0-32768 x 32767定点数和浮点数有以下转换关系：定点数和浮点数有以下转换关系：浮点数浮点数(x)转换为定点数转换为定点数(xq):xq=intx 2Q定点数定点数(xq)转换为浮点数转换为浮点数(x):x=floatxq 2Q例如，浮点数例如，浮点数x=0.4，定标，定标Q=15，则对应定点数为，则对应定点数为xq=in

31、t0.4 215=int13107.2=13107=3333H。反之，一个反之，一个Q15表示的定点数表示的定点数13107对应的浮点数为：对应的浮点数为：13107 215 0.3999939。在实际应用中，在实际应用中，Q数值由以下方法确定数值由以下方法确定:设系统中变量表示的数据最大绝对值为设系统中变量表示的数据最大绝对值为|max|，而且，而且|max|小于或小于或等于等于32767，由：，由： 2n-1 |max|2n可得可得Q=15n。例如，某变量取。例如，某变量取值范围为值范围为1到到1，那么变量的，那么变量的|max|=1,n=0,则则Q=15。 DSP定点算术运算在DSP运算

32、中经常用到Q表示法。 前面已经介绍过，16位二进制数的Q表示法，最高位为符号位，依次为15Q位的整数和Q位的小数。其表示的数据绝对值不超过215Q ，精度为1/2Q 。根据数据的范围和精度要求，不同应用的Q值一般不同。但通常情况更多的是将数表示为Q15格式表示的纯小数和Q0格式表示的整数，这样有利于乘法等运算，即小数乘以小数结果仍为小数，整数乘以整数结果仍为整数。 1. 两个定点数的算术运算（1）两个定点数的加/减法定点加/减法必须保证两个操作数的定标值一样。如果两个数据的Q值不同，在保证数据准确性的前提下调整Q值使数据精度最高，即尽量将Q值小的数调整为与另一个数的Q一样大。另外，做加/减运算时，必须注意运算结果可能超出16位的表示范围。例如，x=0.4，y=0.2，计算xy。根据Q法的表示范围，采用Q15表示两个数据可以得到最高精度的运算结果。所以x，y的Q15定点表示分别为： xq=13107， yq=6553。xqyq=131076553=19660。将运算结果转换为浮点数为：19660215 0.5999756。当进行加/减法运算